LES EQUIPEMENTS D’OBSERVATION METEOROLOGIQUE AUTOMATIQUE AU SOL 

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GENERALITES SUR LES PHENOMES DE TEMPETE DE SABLE ET DE POUSSIERE

Généralités sur les aérosols

Dans le cadre de cette étude, une meilleure connaissance des aérosols est nécessaire pour bien fixer son importance parmi les phénomènes météorologiques. En effet, les aérosols font partie intégrante du système climatique. Une description générale des aérosols est faite au début de cette section, puis une présentation des aérosols non désertiques et désertiques est faite. Enfin, bien que les nuages de poussière soient des aérosols désertiques, nous avons fait une présentation particulière des nuages de poussière car ils constituent l’objet de notre étude.
L’aérosol atmosphérique représente l’ensemble des particules solides et liquides en suspension dans l’air, d’origine naturelle ou anthropique (activités humaines) à l’exception des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace composant les nuages et les brouillards [4]. Il réside dans l’atmosphère et est déposé sous l’effet de son poids (dépôt sec) ou lors de précipitations (dépôt humide). Les aérosols sont classifiés suivant certains critères tels que leur taille, leur nature physico-chimique, leur source de production et leur domaine de résidence dans l’atmosphère. Leurs dimensions sont comprises entre 0,001 et 100 μm et selon l’ordre de grandeur du rayon r de la particule (supposée sphérique), on distingue trois classes [5] :
• Les particules d’Aitken (mode nucléation) : 0,001 ≤ r ≤ 0,1 μm ;
• Les particules fines (mode accumulation) : 0,1 ≤ r ≤ 1 μm ;
• Les grosses particules : 1 ≤ r ≤ 100 μm.
Les particules les plus petites, d’environ 10-3 μm de rayon, sont de gros ions qui jouent un rôle important en électricité et en chimie atmosphérique. En fonction de leur taille, les aérosols d’origines diverses sont soumis à des processus de transport et de dépôt différents. Ils possèdent des propriétés optiques et des durées de vie extrêmement variables et leur distribution globale est fortement inhomogène.
L’aérosol atmosphérique de mode accumulation donc à particules fines, est plus important. Par contre, les grosses particules sont beaucoup moins nombreuses, et ne peuvent rester dans l’atmosphère à l’état libre que pour une durée limitée, dans un domaine de résidence localisé au voisinage des sources d’émission. Au regard des processus de formation des aérosols, on peut en définir deux grands types :
• Les aérosols primaires qui sont émis directement sous forme de particules dans l’atmosphère, leur taille est généralement supérieure au micron lorsqu’ils sont produits mécaniquement et inférieure au micron lorsqu’ils sont issus de processus de combustion ;
• Les aérosols secondaires, généralement submicroniques (taille inférieure à 1μm), sont issus de la transformation en particules de substances émises dans l’atmosphère sous forme gazeuse par conversion directe gaz-particule. Les aérosols atmosphériques proviennent de sources naturelles (aérosol naturel) ou des activités humaines (aérosol anthropique) ;
• L’aérosol naturel est composé essentiellement de particules d’origines minérale et marine. Il représente la fraction majoritaire de la masse totale d’aérosol
Emis [6]. Ces particules sont, pour une grande part, les produits de l’action mécanique exercée par le vent sur les surfaces marines et continentales. Les caractéristiques physico-chimiques de cet aérosol résultent de son mode de production. Ce sont des particules majoritairement super micronique (taille supérieure à 1μm) et leur composition chimique est très proche de celle du matériau d’origine. Il existe aussi des particules de taille submicronique issues de réactions biochimiques naturelles [7] ;
• L’aérosol anthropique est généralement concentré autour des régions industrielles. Il est produit soit par combustion, soit par émission directe à l’état liquide ou solide, soit par l’intermédiaire des processus de conversion gaz-particule faisant intervenir des produits gazeux de combustion. Cette dernière
catégorie est constituée de particules de taille submicronique [8]. Les transports, les combustions industrielles et domestiques, la fabrication du ciment, la métallurgie et l’incinération sont parmi les activités industrielles et techniques qui produisent les particules primaires de cet aérosol.
En moyenne globale, plusieurs centaines de millions de tonnes d’aérosols sont émis chaque année par une multiplicité de sources à la fois naturelles (volcaniques, biologiques, désertiques, marines) et humaines (combustions, poussières industrielles, émissions agricoles), ce qui induit une très grande diversité de leurs propriétés. Nous allons présenter les différents types d’aérosols en les scindant en deux parties : les aérosols désertiques et les aérosols non désertiques.

Aérosols non désertiques

On peut classer les aérosols non désertiques en quatre groupes : les sels marins, les aérosols carbonés, les sulfates et les nitrates [9].

Sels marins

Les sels marins constituent une fraction entièrement naturelle des aérosols. Ils représentent la majeure partie de la masse d’aérosols émise globalement avec les poussières minérales. Ils sont libérés dans l’atmosphère par l’éclatement de bulles d’air qui ont été mises en suspension par l’action du vent sur les surfaces océaniques [10].
Leur présence dans l’atmosphère est donc essentiellement conditionnée par les vents de surface. Leur durée de vie dans l’atmosphère est très variable, car le diamètre de ces particules peut varier entre 0,05 μm et plusieurs centaines de μm (la majorité des particules ayant un diamètre supérieur à 1 μm).

Aérosols carbonés

Les aérosols carbonés proviennent principalement de la combustion de la biomasse et des combustibles fossiles. Ils se composent de suies (BC : black carbon) et de particules organiques (POM : particulate organic matter) et sont essentiellement de taille submicronique. Les émissions des aérosols carbonés sont soumises à une forte variabilité interannuelle et sont situées principalement dans les régions tropicales et subtropicales comme en Afrique et en Amérique du Sud (feux liés aux pratiques agricoles, à la déforestation). D’autres émissions naturelles sont attribuées aux feux dans les régions boréales et tempérées [11].
Il existe aussi une source secondaire des POM car ces derniers peuvent également être formés par l’oxydation de composants organiques volatiles (COV). Cette source est essentiellement d’origine naturelle bien que les activités humaines sont responsables d’une augmentation des facteurs (ozone, NO3) favorisant l’oxydation des COV. Les COV peuvent être aussi causés par les combustibles fossiles et les feux de biomasse, et ainsi être oxydés en POM.

Sulfates

Les sulfates, particules de taille submicronique essentiellement, sont des aérosols qui sont produits dans l’atmosphère par réactions chimiques à partir de précurseurs gazeux dont les deux principaux sont :
• Le dioxyde de soufre (SO2) qui provient essentiellement de la combustion de combustibles fossiles liés aux activités humaines et des volcans ;
• Le sulfure de diméthyle (DMS) qui est émis naturellement par des sources biogéniques, en particulier par le plancton.
Les estimations provenant des bilans de masse des 11 modèles qui ont été présentés dans le rapport intergouvernemental sur le changement climatique, montrent que les quantités de sulfates présentes dans l’atmosphère sont fortement dépendantes des modèles.
Ceci découle des connaissances sur les sources des précurseurs, sur la fraction des précurseurs déposés avant conversion en aérosol et sur les taux de transformation des réactions chimiques

Nitrates

La présence de nitrates est étroitement liée à la présence relative d’ammonium et de sulfates dans l’atmosphère.
En effet, si l’ammonium est présent en excès par rapport à la quantité nécessaire à la neutralisation de l’acide sulfurique, alors de petites particules de nitrate peuvent se former. Le nitrate se déposera préférentiellement sur des particules de taille supérieure comme les sels ou les particules [12].

Aérosols désertiques

Les aérosols désertiques (poussières minérales) sont le résultat d’interactions complexes entre l’atmosphère, la lithosphère et la biosphère [13]. Ce sont des particules mises en suspension par l’action du vent sur les surfaces continentales désertiques ou semi-arides. La vitesse seuil d’érosion qui régule les émissions dépend de la rugosité de la surface, de la taille des grains et de l’humidité des sols [14]. Ils constituent l’une des contributions majeures au contenu en aérosol de l’atmosphère, en particulier dans les régions tropicales et subtropicales. Ils représentent environ 40% des émissions globales en aérosols troposphériques.
Ces particules ont un diamètre qui peut varier de moins d’un μm jusqu’à 20 μm, mais plus de 80% d’entre elles font partie des plus grosses. Bien qu’essentiellement d’origine naturelle, une partie des émissions peut être imputable aux activités humaines car le développement de l’agriculture intensive tend à augmenter la surface des zones érodables [15]. Une étude a ainsi estimé que 30 à 50% du contenu actuel de l’atmosphère en poussière minérale provient de l’érosion de surfaces modifiées par l’activité humaine [16]. La fraction des émissions d’origine anthropique reste cependant soumise à de fortes incertitudes et controverses.
Leur transport concerne la totalité des zones subtropicales où les épaisseurs optiques en aérosols les plus fortes peuvent être observées. Leur dépôt sur les surfaces continentales et océaniques constitue, pour certains écosystèmes, un apport important en éléments limitant leur fonctionnement (fer, phosphore, …) [17]. Par ailleurs, il est maintenant admis que ces aérosols sont impliqués dans des processus chimiques multiphasiques [18] au travers desquels ils interagissent avec des espèces azotées [19] ou soufrées [20].
Ainsi, ils peuvent modifier les propriétés d’acidité [21], de nombre, de taille et de composition chimique d’autres familles d’aérosol. La durée de vie des aérosols désertiques est très variable car les plus gros sont déposés rapidement sous l’effet de leur poids alors que la fraction submicronique peut résider plusieurs semaines dans l’atmosphère.
Ces aérosols sont éliminés soit par une sédimentation sèche relativement efficace dans le domaine de taille de ces aérosols (micronique), soit par abattement par les précipitations.
L’effet conjugué de cette courte durée de vie avec la localisation différenciée des principales sources n’autorise pas une réelle homogénéisation des concentrations à l’échelle globale et induit une forte variabilité temporelle.

Nuages de poussière

Description, formation et circulation

Les nuages de poussières qu’on désigne souvent aussi par brume sèche, peuvent être définis comme une suspension dans l’atmosphère de particules sèches, extrêmement petites, presque invisibles à l’œil nu et suffisamment nombreuses pour donner à l’air un aspect opalescent. Ils sont constitués physiquement par les aérosols désertiques qui sont soulevés de terre par l’action des vents. Les météorologistes appellent ces produits transportés dans l’air des « lithométéores ». Ces derniers sont définis dans l’Atlas international des nuages comme un météore qui consiste en un ensemble de particules dont la plupart sont solides et non aqueuses et qui se trouvent plus ou moins en suspension dans l’atmosphère ou soulevées du sol par le vent [22]. Ces aérosols se répartissent en couches bien délimitées d’un à quelques kilomètres d’épaisseur. Ils sont présents dans la troposphère entre le sol et 6-7 kilomètres d’altitude. Suivant l’allure et l’évolution générales de ces structures, ils sont dits nuages, panaches ou encore bouffées [23].
Les conditions météorologiques sont d’une grande importance dans la formation des nuages de poussières et leur transport. En effet, le système dépressionnaire intertropical, zone de convergence à laquelle est associé le front intertropical (FIT), et le dispositif des hautes pressions tropicales dont l’élément le plus important est l’anticyclone des Açores régissent essentiellement les mécanismes de la météorologie sur le Sahara et jouent un rôle important dans l’extension des nuages de poussière.
Au Nord du FIT, on a la circulation en toutes saisons, d’un flux d’air de secteur Nord-est des hautes pressions tropicales vers les basses pressions intertropicales. Ainsi, on a un vent chaud et sec d’origine désertique au-dessus de l’Afrique de l’Ouest : l’harmattan. Tandis qu’au-dessus de l’Atlantique, il est humide et beaucoup plus frais et est associé aux hautes pressions de l’anticyclone des Açores : l’alizé [24]. Le FIT constitue une barrière « naturelle » qui limite le transport des particules mobilisées au niveau des sources vers les régions au sud de la zone dépressionnaire [25].

Impact des nuages de poussière

Les effets induits par les aérosols sahariens sont multiples et complexes. Leur distribution géographique est très hétérogène et leurs concentrations régionales peuvent être très élevées, ce qui rend leur impact sur l’environnement à la fois difficile et important à déterminer, en particulier sur le pourtour du continent africain. Cependant, la quantification de l’impact radiatif direct et indirect des aérosols sahariens constitue l’un des défis principaux se posant aujourd’hui aux climatologues.
L’impact des nuages de poussière se manifeste dans divers domaines à savoir :
• Modification du bilan radiatif de la planète. Les aérosols désertiques participent à la modification du bilan radiatif de la planète à travers différents processus. Ils modifient l’équilibre de rayonnement de la terre par dispersion et absorption de la transmission radiative solaire menant à deux effets opposés [28] :
✓ Refroidissement de l’atmosphère par dispersion basse du rayonnement solaire de l’espace ;
✓ Réchauffement par absorption du rayonnement terrestre dans l’atmosphère inférieure. Particulièrement, les aérosols désertiques provenant des régions arides de l’Afrique affectent ce bilan au-dessus
de l’Afrique et de l’Atlantique [29] et diminuent probablement les précipitations [30]. Des études basées sur les mesures au sol [31] et sur les images satellitaires ont montré une variabilité du climat qui dépend de la poussière africaine transportée. Cette modification du bilan radiatif peut avoir des conséquences sur les équipements tels que les pompes solaires.
• Appauvrissement et fertilisation des sols. L’action spécifique du vent sur les sols des régions arides qui met en suspension le sable dans l’atmosphère constitue un processus de déflation. Ceci entraîne l’appauvrissement et la fertilisation des sols des régions sahariennes ;
• Visibilité. La présence des particules de l’aérosol dans l’atmosphère implique une diminution de la visibilité avec comme origine principale les particules de diamètres situés dans la gamme 0.6-0.8 μm [32]. Par exemple, il a été démontré que la fréquence des jours de faible visibilité à Gao (Mali) est passée de 20 jours à environ 250 jours par an durant la période de sécheresse au Sahel (1957 à 1984) [33]. En période de nuages de poussière, nous observons une dégradation de la visibilité, d’où une perturbation de la navigation aérienne et du trafic routier.
• Santé. Les effets des aérosols désertiques sur la santé sont très importants. La poussière atmosphérique des régions arides de l’Afrique transporte des microbes qui seraient susceptibles d’affecter la santé humaine de manière significative [34]. Ainsi, des problèmes de santé publique (allergies, troubles respiratoires, …) peuvent être causés par ces phénomènes.

Intérêt de l’étude des nuages de poussière

Puisque depuis quelques années, les événements de nuages de poussière sont devenus si fréquents et si importants dans la région de l’Afrique subsaharienne, ils méritent d’être étudiés. En effet, ils constituent aujourd’hui un fait climatique majeur au même titre que la saison des pluies. Leur périodicité marque l’existence des populations vivant à la périphérie du Sahara, le plus grand pourvoyeur de poussières du globe, en modifiant profondément leur environnement. Cette étude pourra permettre :
• D’identifier le schéma général d’évolution des nuages de poussière en précisant à l’échelle saisonnière et interannuelle les périodes de développement ou d’atténuation du phénomène ;
• D’établir le niveau d’interdépendance entre les concentrations de poussières et les réductions de la visibilité au sol ;
• D’évaluer les incidences sur la fertilité des sols ou plutôt sur leur stérilisation progressive.

La typologie des types de temps Lithométéoriques 

Le lithométéore est défini par l’atlas international des nuages (OMM, 1956) comme un météore consistant en un ensemble de particules dont la plupart sont solides et non aqueuses et qui se trouvent plus ou moins en suspension dans l’atmosphère ou soulevées par le vent. Souvent assimilés à un vent de sable, les lithométéores représentent cependant une série de types de temps bien différenciés :
• Les brumes sèches et les brumes de poussière correspondent à une situation postérieure à un soulèvement de particules fines.
• Les chasses-sable et les tempêtes de sable caractérisent un phénomène qui associe pleinement la dynamique éolienne et le transport des particules.
Les définitions de ces phénomènes régionaux sont relatées par le recueil des codes météorologiques (OMM, 1973) et se présentent ainsi :
– Brume de poussière : (photo 3) (S), « poussières en suspension dans l’air d’une manière généralisée, non soulevées par le vent au point d’observation ou à ses alentours au moment de l’observation ». La brume de poussière est mentionnée par l’observateur, lorsqu’un dépôt de poussière éolienne est visible au sol.
– Brume sèche : (∞) : il n’existe pas de définition précise pour ce type de lithométéore. La brume sèche possède cependant les mêmes caractéristiques que la brume de poussière, mais en est différente par l’absence de dépôt de poussière au sol.
– Chasse-sable : ($) « poussière ou sable soulevés par le vent au point d’observation ou à ses alentours au moment de l’observation, mais absence de tourbillon et pas de tempête de poussière ou de sable observée ».
– Tempête de sable : (–S→) « tempête de poussière ou de sable observée au moment de l’observation en vue du point d’observation, ou à ce point pendant l’heure précédente ».

Table des matières

 INTRODUCTION
CONTEXTE GENERAL
SITUATION GEOGRAPHIQUE ET CLIMATIQUE DE LA ZONE D’ETUDE
I.1 Situation géographique de Djibouti et son climat [1]
I.2 Localisation géographique de l’aéroport de Djibouti [2]
I.2.1 Les données Météorologiques Opérationnelles (OPMET)
I.2.1.1 Données mensuelles de direction de vent de 2010 à 2016
GENERALITES SUR LES PHENOMES DE TEMPETE DE SABLE ET DE POUSSIERE
II.1 Généralités sur les aérosols
II.2 Aérosols non désertiques
II.2.1 Sels marins
II.2.2 Aérosols carbonés
II.2.3 Sulfates
II.2.4 Nitrates
II.3 Aérosols désertiques
II.4 Nuages de poussière
II.4.1 Description, formation et circulation
II.5 Impact des nuages de poussière
II.6 Intérêt de l’étude des nuages de poussière
II.7 La typologie des types de temps Lithométéoriques [35]
II.8 TEMPETES DE SABLE
II.8.1 Généralités
II.8.2 Impacts des aérosols désertiques
II.8.2.1 Impact sur la visibilité
II.8.2.2 Impact sur le climat global
II.8.2.3 Impact sur la santé et la biodiversité
II.8.2.4 Impact sur les activités socio-économiques
II.8.3 Processus de formation des aérosols désertiques
II.8.3.1 Action du vent sur la surface τ
II.8.3.2 Bilan des forces des grains au sol
II.8.3.3 Seuil d’érosion ? ∗ ?
II.8.3.4 Processus physiques déplacements de poussière par : « glissement », « saltation » et « suspension »
II.8.3.4.1 Taille des particules et vitesse de sédimentation
II.8.3.4.2 Sources de poussière : les sources désertiques
II.8.3.4.3 Sources ponctuelles de poussière
II.8.3.4.4 Le vent
II.8.3.4.4.1 Vent minimal
II.8.3.4.4.2 La stabilité
II.8.3.5 Désagrégation des particules les plus fines constituant l’aérosol désertique : « sandblasting »
II.8.3.6 Rôle de la turbulence dans la formation de tempêtes de sable
II.8.3.6.1 La turbulence
II.8.3.6.2 Rappels sur la turbulence
II.8.3.6.2.1 Impact de la turbulence sur la vitesse de frottements u∗
II.8.3.6.3 Cycle diurne d’une tempête de sable
II.8.4 Processus de dissipation d’une tempête de sable
II.8.4.1 Cycle de vie d’une tempête de sable
II.8.5 Processus de dispersion par turbulence
II.8.6 Processus d’advection
II.8.7 Processus de « dépôt sec »
II.8.7.1 Processus de « dépôt humide »
II.8.8 Conditions synoptiques favorables aux tempêtes de sable
II.8.8.1 Conditions synoptiques favorables en hiver
II.8.8.2 Conditions synoptiques favorables en été
II.8.8.2.1 Sur le Sahara et le Sahel
II.8.8.3 Conditions de méso-échelle favorables aux tempêtes de sable
II.8.8.3.1 Tempête de sable associée à une brise de pente
II.8.8.3.2 Tempête de sable associée à un système convectif : une « haboob »
II.8.8.3.3 Tempête de sable associée à une « cyclogenèse sèche » le long du FIT
II.8.8.3.4 Tempête de sable associée à une forte brise de mer
II.8.9 Climatologie
QUELQUES EVENEMENTS REPERTOIRES
III.1 Exemple de dégâts causés par le khamsin (tempête de poussière) à DJIBOUTI [55]
III.2 Le khamsin réduit la visibilité dans la Capital comme vous voyez sur les
photos suivantes
III.3 Submerger un phénomène global, invasion par le sable et la poussière
METHODOLOGIES APPLIQUÉES INDICE NORMALISÉ DE PRÉCIPITATIONS
IV.1 Considérations générales
IV.2 Méthode de calcul
IV.2.1 Méthode
IV.2.2 Mode de fonctionnement
IV.2.3 Exécuter le programme sous Windows
LES EQUIPEMENTS D’OBSERVATION METEOROLOGIQUE AUTOMATIQUE AU SOL 
V.1 Systèmes de mesure intégrés
V.1.1 Le diffusomètre (DF320)
V.1.1.1 Fonctionnement en conditions météorologiques difficiles
V.1.1.2 Acquisition des mesures
V.1.1.3 Choix du lieu d’implantation
V.1.2 Le mât anémométrique
V.1.2.1 Implantation
V.1.3 Le transmissomètre
V.1.3.1 Implantation
V.1.4 Le célomètre (télémètre)
V.1.4.1 Généralités
V.1.4.2 Implantation
LES DISPOSITIFS SATELLITAIRES
VI.1 Généralités sur les satellites
VI.2 Les différents types de satellites
VI.2.1 Satellites de télécommunication
VI.2.2 Satellites de télédétection
VI.2.3 Satellites de positionnement
VI.2.4 Satellites d’observation spatiale
VI.2.5 Stations spatiales
VI.2.6 Satellites météorologiques
VI.2.6.1 Les satellites géostationnaires
VI.2.6.2 Les satellites polaires
VI.2.6.3 Le satellite METEOSAT
VI.2.6.4 METEOSAT de première génération
VI.3 Principe de télédétection satellitaire
VI.3.1 Objectifs
VI.3.2 Le programme MSG
VI.3.3 Mission principale (prévisions météorologiques)
VI.3.4 Deux générations de satellites Météosat
VI.3.5 Principales améliorations des satellites MSG [69]
VI.3.6 Le radiomètre imageur SEVIRI
V I . 3 . 7 Les douze bandes spectrales de SEVIRI
VI.3.7.1 Les caractéristiques des 12 bandes spectrales de MSG et leurs principales utilisations sont synthétisées dans le tableau suivant
VI.3.7.2 Les images multi spectrales du MSG
IDENTIFICATION DES TEMPETES ET BRUMES DE POUSSIERES
VII.1 Utilisation des canaux solaires
VII.1.1 Sur les continents
VII.1.2 Au-dessus de l’océan
VII.1.3 Au-dessus de l’océan
VII.1.4 Sable de poussière en suspension dans l’air
VII.2 En différence de canaux
VII.2.1 Pendant la journée
VII.2.1.1 Au-dessus du continent
VII.2.1.2 Au-dessus de l’océan
VII.2.2 Pendant la nuit
VII.3 Utilisation des compositions colorées
RESULTATS ET INTERPRETATIONS
VIII.1 Premier cas d’intallation
VIII.2 Deuxième cas d’intallation
TELEDETECTION DE POUSSIERE DANS NOTRE ZONE D’ETUDE
IX.1 Détermination de l’indice normalisé de précipitation (SPI) pour le cas de notre station120
IX.1.1 Indice SPI sur 1 mois
IX.1.2 Indice SPI sur 3 mois
IX.1.3 Indice SPI sur 6 mois
IX.1.4 Indice SPI sur 9 mois
IX.1.5 Indice SPI sur 12 mois
IX.1.6 Représentation de l’indice normalisé de précipitation de 1961 à 2016 avec le logiciel
R LES RESULTATS SUR LA TEMPETE DE SABLE
X.1 Les différents cas fréquents des tempêtes de poussières à Djibouti [70]
X.1.1 Les orages dans la branche orientale de la ZCIT (Corne de l’Afrique)
X.1.2 Influences des systèmes des moyennes latitudes (Dépression frontale)
X.1.3 Configuration synoptique avant front
X.1.4 Configuration synoptique post frontale
X.1.5 Influences des brises côtières
X.1.6 Effets combinés de la ZCIT et brise côtière
X.1.7 Débordements des orages de mousson sur le Yémen
X.1.8 Synthèse de la partie
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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